Защ.нас-я в ЧСdoc3
.pdfИспользуют также кратные единицы: мегакюри 1 МКи = •= 110е Ки и дольные - милликюри 1 мКи = 10~3 Ки; микрокюри 1 мкКи = 10~6 Ки.
Радиоактивные вещества могут быть сосредоточены в массе вещества, в определенном объеме или на некоторой поверхности. Поэтому в дозиметрической практике часто используют величину удельной, поверхностной или объемной активности или концентрации радиоактивных веществ в воздухе, жидкости и в почве.
Удельную, объемную и поверхностную активность мож-
но записать соответственно в виде: |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
А т |
= А / т ; Av |
= |
A/v; |
Ag |
= |
А/я, |
(1.25) |
|||||
где |
т |
- |
масса |
вещества; |
v |
- |
объем |
вещества; s |
- |
пло- |
|||||
щадь поверхности вещества. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Для пересчета удельной активности в поверхностную |
||||||||||||||
и объемную запишем А т в виде: |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
где |
р - |
А т = |
А / ю |
= A/sph |
= A / p h |
= Ау/р, |
(1.26) |
||||||||
плотность |
почвы, |
принимается в Республике |
|||||||||||||
Беларусь равной 1000 кг/м3; h - |
корнеобитаемый |
слой |
|||||||||||||
почвы, принимается равным 0,2 м; s - |
площадь радиоак- |
||||||||||||||
тивного |
загрязнения, м2. Тогда: |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
А |
m |
= 5Ю~3 А |
; |
А |
т |
= |
10"3 |
А . |
(1.27) |
|||
|
|
|
|
|
|
в ' |
|
|
|
|
v |
v |
' |
||
|
В этих формулах выражается: As - |
в Бк/м2 или Ки/м2; |
|||||||||||||
Av |
- |
в Бк/м3 , ИЛИ Ки/м3. АИ - |
|
в Бк/кг ИЛИ Ки/кг. |
|
||||||||||
|
На практике As |
может быть известна в Бк/м2, |
Ки/мг, |
Ku/км2 и в дробных единицах; Ау может быть известна в Бк/м3 или Ки/м3, Бк/л и др.
В нормах радиационной безопасности НРБ-2000 дополнительно введены еще несколько единиц активности, которыми удобно пользоваться при решении задач радиационной безопасности.
Активность минимально значимая (МЗА) - актив-
ность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов санитарно-эпидемиологичес- кой службы Министерства здравоохранения Республики Беларусь на использование этих источников, если при этом также превышено значение минимально значимой удельной активности.
20
Активность минимально значимая удельная (МЗУА) -
удельная активность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превыше- нии которой требуется разрешение органов санитарно-эпиде- миологической службы Министерства здравоохранения Республики Беларусь на использование этого источника, если при этом также превышено значение минимально значимой активности.
Активность эквивалентная равновесная (ЭРОА) дочерних продуктов изотопов радона 222Rn и 220Rn - взвешенная сумма объемных активностей короткоживущих дочерних продуктов изотопов радона - 218Ро (RaA); 214РЬ (RaB); 212Pb (ThB); 212Bi (ThC) соответственно:
(9POA)Rn= 0,10 AR a A + |
0,52 |
A ^ + |
0,38 A ^ ; |
|
OPOA)Th = 0,91 |
Aj,hB + |
0,09 |
^ |
, |
где A - объемные активности дочерних продуктов изотопов радона и тория.
Основной закон радиоактивного распада можно представить графически (рис. 1.3). Он выражает уменьшение количества радиоактивных ядер с течением времени. Теоретически кривая экспонента никогда не может слиться с осью абсцисс, но на практике можно считать, что примерно через 5 периодов полураспада основная масса радиоактивного вещества распадается, а через 10-20 периодов полураспада распадается полностью.
Рис. 1.3. График уменьшения числа распадающихся ядер от времени в периодах полураспада
21
Связь между массой радионуклида и его активностью
На практике часто необходимо определять массу радионуклида по известной активности и наоборот.
Известно, что масса одного грамм-моля вещества (радионуклида) численно равна массовому числу М, выраженному в граммах. С другой стороны, число атомов в
одном грамм-моле |
равно числу Авогадро, то есть NA = |
|
= 6,023-Ю23 моль-1. |
Тогда можно составить пропорцию: |
|
m |
> М |
|
N |
> N a |
|
Отсюда следует: |
|
|
m = MN/ Na |
= М А / Ш Д = MAT/0,693 NA, |
(1.28) |
где А - активность радионуклида; N — число атомов ра- |
||
дионуклида; Т — период полураспада. |
|
|
В формуле (1.28) учтено, что N = А/Х и X = |
0,693/Т. |
|
Для удобства расчета и учета единиц выражение |
||
(1.28) можно записать в виде: |
|
|
m = |
ajMTA; m = а2МТА, |
(1.29) |
где величина at используется, если активность выражена в
Беккерелях, а2 - если активность |
выражена в кюри, |
at и |
||||
а2 представлены в таблице 1.1. |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Таблица |
1,1 |
|
|
Значения величин а, и а. |
|
|
|||
Величины |
|
Период полураспада Т |
|
|
||
а, и а2 |
с |
мин |
ч |
сут |
год |
|
|
||||||
aj |
2,4-10"м |
1,44-10-" 8,6210-2t 2,07-Ю13 |
7,56-Ю17 |
|||
Л |
8,8610 м |
5,32-10-" 3,19-Ю10 |
7,66-10-° |
2,80-Ю"6 |
||
|
|
|
|
|
|
1.1.4. Закон спада радиоактивности продуктов ядерного деления
Продукты деления ядерного горючего образуются при ядерном взрыве и при работе ядерного реактора на атом-
22
ной электростанции. При этом во время ядерного взрыва на разных этапах радиоактивного распада возникает около 300 различных радионуклидов, большинство из которых являются короткоживущими. Суммарная активность смеси продуктов деления для бета-частиц через одну минуту после ядерного взрыва может быть определена по формуле
А Р = 1 0 Ч е л > |
( 1 - 3 0 ) |
где qfleji - тротилорадй эквивалент, |
ИЯ Делению, т. |
В течение первых 100-160 суток после ядерного взрыва или аварии на АЭС с выбросом радиоактивных веществ изменение радиоактивности на радиоактивно зараженной местности приближенно описывается законом Вэя-Вигнера:
А,/А2 = <yt,)», |
(1.31) |
где А{, А2 - активности излучения радионуклидов, соответствующие моментам времени tt, t2 после начала радиоактивного заражения местности; п - показатель степени, характеризующий величину спада активности излучения во времени, зависящей от изотопного срстава радионуклидов.
Для аварии на АЭС с выбросом радиоактивных веществ п = 0,4-0,86, для ядерного взрыва п = 1,2.
При известной паре начала отсчета А„ и t0 можно получить зависимость изменения активности от времени:
At = А0 (t/to r |
(1.32) |
где Aq и At - активность осколков деления ко времени tQ и t после взрыва. По мере увеличения времени, прошедшего после ядерного взрыва, активность осколков деления быстро падает примерно так: при семикратном увеличении времени активность падает в 10 раз.
При аварии на АЭС с выбросом радионуклидов из активно^ зоны количество и состав радионуклидов будет другим. Обычно количество радионуклидов не превышает 40-60, так как большинство короткоживущих радионуклидов в реакторе уже распалось. Но происходит накопление радионуклидов, период полураспада которых соизмерим со сроком жизни человека и более. Кроме того, количество ядерного горючего в атомном реакторе измеряется тоннами, в то время как масса ядерного взрывчатого вещества боеприпаса исчисляется килограммами. По этой причине
23
количество выброшенных радионуклидов при аварии может быть значительным, а время распада большим. На рис. 1.4 приведено сравнение законов спада радиоактивности для ядерного взрыва, и при аварии на АЭС с выбросом радиоактивных веществ.
На графике (рис. 1.4) момент начала выпадения радиоактивных осадков принят за нулевой (t = 0). По прошествии примерно одного часа, в течение которого из атмосферы на поверхность земли в районе взрыва выпадает основная масса радиоактивных осадков, активность радиации достигает максимума и затем начинается ее снижение.
Рис. 1.4. Зависимость активности зараженности местности от времени, прошедшего с момента начала радиоактивного заражения после аварии на АЭС и ядерного взрыва
Показатель скорости спада активности п на практике определяется после замера в одной и той же точке активности в различные моменты времени не менее двух раз. А величину п определяют по формуле, которая получена после логарифмирования выражения (1.31):
n = (lq А, - lq As)/(lq t2 - lq t,). |
(1.33) |
Примечание. Формулы (1.31) и (1.32) справедливы и для случая, когда вместо активности рассматривается мощность дозы. Поэтому величину а можно вычислить и в случае, если имеется прибор для измерения мощности дозы.
24
Вопросы для самоконтроля
1.Понятие радионуклида.
2.Почему ядра одних изотопов претерпевают радиоактивный распад, а другие нет?
3.Охарактеризуйте явление радиоактивности (примеры альфа-распада и бета-распада).
4.В чем заключаются особенности спада радиоактивности по основному закону радиоактивного распада?
5.Пересчитайте 5 Ки/км2 в Бк/кг и 5 Ки в Бк.
6.Пересчитайте 100 Бк/кг в Ки/м2.
1.2.ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И МЕТОДЫ
ИЗМЕРЕНИЙ
1.2.1. Краткая характеристика ионизирующих излучений
Атом электрически нейтрален. Это означает, что положительный заряд протонов, находящихся в ядре, компенсируется отрицательным зарядом электронов, образующих электронные оболочки. Если один из орбитальных электронов с помощью внешней силы выбивается с орбиты и покидает атом, то есть становится свободным, то атом превращается в положительный ион. Свободный электрон может участвовать в некоторых физических и химических процессах. Процесс образования ионов разных знаков называется ионизацией. i
Ионизирующее излучение (ИИ) — это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков и свободных радикалов. Каждый атом характеризуется своим значением энергии ионизации.
25
Ионизирующее излучение делят на корпускулярное и фотонное.
Корпускулярное излучение — это поток частиц с массой, отличной от нуля (электроны, позитроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы).
Фотонное излучение — это электромагнитное излучение (гамма-излучение, характеристическое излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение, аннигиляционное излучение).
Не всякое электромагнитное излучение является ионизирующим. Энергия фотона вычисляется по формуле: Е = hv (постоянная Планка h = 6,626210"84 Дж/с, v — частота электромагнитных колебаний). Радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет и почти весь диапазон ультрафиолетового излучения не вызывают ионизацию, из-за недостаточной энергии, чтобы преодолеть энергию связи электрона с ядром. В лучшем случае они вызывают возбуждение атомов (перевод орбитального электрона на более удаленную орбиту). Но ионизирующими излучениями являются жесткое излучение ультрафиолетовой части спектра, рентгеновское и гамма-излучение.
Альфа-излучение - это поток альфа-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Альфа-частицы обладают сильной ионизирующей и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину 2 - 9 см, а в биологической ткани — 0,02—0,06 мм, задерживаются листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо опасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.
Бета-излучение - это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. Энергия бета-частиц колеблется в больших пределах, а проникающая способность в воздухе может составлять от нескольких сантиметров до 3 метров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, одеждой задерживается только частично. Их ионизирующая способность значительно меньше, чем у альфа-час- тиц. Бета-излучение опасно для здоровья человека, как при внешнем, так и при внутреннем облучении.
26
Протонное излучение — это поток протонов, |
состав- |
л я ю щ и х основу космического излучения, а также |
наблю- |
д а е м ы х при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа- и бета-излучением.
Нейтронное излучение - поток нейтронов, наблюдае- мых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боепри- пасов, при работе ядерного реактора, при спонтанном делении ядер тяжелых радиоактивных элементов. Послед- ствия его воздействия на окружающую среду зависят от начальной энергии нейтрона, которая может меняться в пределах 0,025-300 МэВ.
Гамма-излучение - электромагнитное излучение, возникающее в некоторых случаях при альфа- и бета-распа- де, аннигиляции частиц, при возбуждении атомов и их ядер, торможении частиц в электрическом поле (длина волны 10"8 -10-а см).
Проникающая способность гамма-излучения значительно больше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Глубина распространения гамма-квантов в воздухе в ряде случаев может достигать сотен и тысяч метров. Ионизирующая способность (косвенная) значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Часть гамма-кван- тов проходит через биологическую ткань, не причиняя ей вреда, другая - поглощается ею.
Тормозное излучение - фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое заряженной частицей при уменьшении кинетической энергии за счет ее торможения электрическим полем. Воздействие на окружающую среду такое, как и гамма-излучения.
Характеристическое излучение - фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Такое излучение возникает в возбужденном атоме, то есть в котором орбитальный электрон получил дополнительную энергию извне и перешел на более удаленную орбиту. Стремясь к равновесию, через некоторое время (примерно через 10~8 с), электрон вернется на свою орби-
27
ту, при этом будет выделена энергия Е = hv (постоянная Планка h = 6,6262Ю~34 Дж/с, v - частота гамма-кван- та) в виде фотона, который и представляет собой характеристическое излучение. Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.
Аннигиляционное излучение - фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электрона). Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.
Рентгеновское излучение - фотонное излучение (длина волны 10~9-10~12 м), состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами. В отличие от гамма-излучения оно обладает такими свойствами, как отражение и преломление, его энергия невелика и не превышает 0,2 МэВ. Поэтому оно менее опасно для здоровья и используется для диагностики заболеваний человека.
1.2.2. Основные характеристики поля излучения
Исследования радиационного излучения показали, что оно имеет сложный состав. Ионизирующая способность означает способность излучений ионизировать атомы и молекулы вещества, а проникающая способность — проникать в вещество на некоторую глубину.
При описании взаимодействия ионизирующего излучения с веществом необходимо знать пространственно-вре- менное распределение излучения в рассматриваемой среде. Это распределение излучения в среде называется полем
излучения.
В дозиметрии и при расчете толщины экранов защиты от ионизирующего излучения и его поля широко используются такие физические величины, как поток частиц и гамма-квантов, плотность потока частиц и гамма-кван- тов, флюенс (перенос) ионизирующих частиц и энергии ионизирующего излучения.
Для определения перечисленных величин вводится понятие элементарной сферы. Элементарная сфера - это такая сфера,
28
•д границах объема которой характеристики поля излучения практически постоянны. Поперечное сечение сферы представляет собой круг, центр которого совпадает с центром сферы и который сориентирован в пространстве так, что нормаль к этому сечению совпадает с направлением движения частицы.
Потоком ионизирующих частиц называют отношение количества ионизирующих частиц dN, которые проходят через данную поверхность за интервал dt, к этому интервалу:
F = dN/dt. |
(1.34) |
Единицей измерения потока ионизирующих частиц в системе СИ является с"1, (част./с, 1/с).
Поток энергии ионизирующего излучения - это отношение суммарной энергии (за исключением энергии покоя) dE всех ионизирующих частиц, которые падают на данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу:
Fe = dE/dt. |
(1.35) |
Единицей измерения потока энергии ионизирующего излучения в системе СИ является Ватт (Вт), то есть такой поток энергии ионизирующего излучения, при котором через данную поверхность за 1 с проходит излучение с энергией в 1 Дж.
Плотность потока ионизирующих частиц - это отношение потока ионизирующих частиц dF, которые попадают в элементарную сферу, к площади центрального сечения dS этой сферы:
(p^dF/dS. |
* (1.36) |
Единицей измерения плотности потока частиц в системе СИ является с"1 на м 3, то есть такая плотнос+ь потока частиц, при которой в сферу с площадью центрального сечения 1 м2 за 1 с попадает одна частица (с1 - м~2 или част.Дм2 • с).
Плотность потока энергии (интенсивность) ионизирующего излучения — это отношение потока энергии ионизирующего излучения dFB которая попадает в объем
29